脑机接口，顾名思义，探索大脑与计算机的通信接口，这种控制系统直接以“人脑”为中心，以脑电信号为基础，通过脑-机接口(Brain-machine interface)来实现控制。这种基于脑-机接口的人机融合控制系统，称之为脑控系统。为了实现脑控，人们试图在人脑与计算机或其他电子设备之间建立联系。马斯克的Neurolink公司和Facebook的Building8计划也都表达了这样的野心。
脑机接口是通过解码人类思维活动过程中的脑神经活动信息，构建人脑与外部世界的直接信息传输通路。首篇脑机接口的研究论文发表于1973年，美国加州大学洛杉矶分校的Vidal等首次使用brain-computer interface一词来表述脑与外界的直接信息传输通路，并提出了最早的脑机接口系统框架（图1.1(a)）。近年来，脑机接口领域迎来了快速发展，脑机接口系统应用领域也越发广泛(图1.1(b)。目前，世界上脑机接口的研究主要包括非侵入式的头皮脑电（EEG），脑磁图（MEG），功能磁共振(fMRI)，功能性近红外光谱（fNIRS）以及侵入式的皮层脑电（ECoG）等方向。其中，头皮脑电因为操作便捷，成本低，适用人群广，所以在脑机接口的应用中最广泛，本文主要介绍和头皮脑电有关的脑机接口技术以及其在交互和控制方面的应用。
(a)最早的脑机接口系统
(b)脑机接口系统应用领域
图1.1 脑机接口系统
将自己的意念通过某种辅助手段传达出来是脑机接口技术的一个直接目标。然而，由于人类目前对大脑的工作机制了解还比较有限，直接提取大脑思维活动比较困难。因此，研究人员开发了一个替代的解决方案：将简单思维活动状态与高级思维活动意图建立一一对应的关系，即神经解码再编码。根据简单思维活动状态的特性，主要可分为两类。
第一类是自发式脑电，运动想象(motor imagery)是其典型的代表，目前国际上可以实现2-8种不同肢体部位的运动想象。不同的肢体部位运动想象可以引起相应的肢体感觉运动皮层区域8-12Hzμ节律能量下降。通过识别不同脑区μ节律下降的显著程度从而判断具体运动想象的肢体部位，输出对应的指令，用来控制机器人、轮椅(图1.2)等。
(a)基于运动想象的脑控轮椅
(b)基于运动想象的脑控机械臂
图1.2 自发脑活动研究示例
第二类是诱发式脑电，P300(图1.3)和稳态视觉诱发电位SSVEP (图1.4)是其典型的代表。诱发脑活动的出现主要是为了解决自发脑活动信息传输率不高、个体差异大的缺点。这类脑机接口中，将待表达的高级思维活动和不同的外部刺激事件（如不同频率闪烁的原点、不同频率的声音等）联系起来，人通过选择不同的外部刺激事件来表达自己的意图。目前比较常用的是作为字符输入的拼写器，以用来辅助渐冻人、脑中风患者等更好地表达自己的想法，实现与外界的沟通。
(a)ERP波形示意图 (b)经典P300拼写器范式界面
图1.3 诱发脑活动研究示例
图1.4 稳态视觉诱发电位（SSVEP）
除了交互和控制的应用，脑机接口现在功能康复与增强，状态识别与检测等领域也有很好的应用前景 。比如脑控康复机器人、疲劳、睡眠监测等等，相信不久的将来，脑机接口技术得以应用，将会给人类生活带来前所未有的改变，让我们共同期待！
未来我将介绍脑机接口技术的研究及应用进展，期待与大家交流分享！
附脑机接口研究常用软件推荐：
Matlab 的EEGLAB以及Psychtoolbox工具箱。
EEG-LAB常用于处理连续记录的脑电信号和其他的电生理信号，而Psychtoolbox则可用于一些视觉诱发刺激范式的设计与呈现。
EEG-lab窗口界面
Psychtoolbox呈现的牛顿环刺激范式
参考文献
[1]张丹，李佳蔚.探索思维的力量：脑机接口研究现状与展望[J].科技导报2017,35(9).
[2] Vidal J J. Toward Direct Brain-Computer Communication[J]. Annual
Review of Biophysics & Bioengineering, 1973, 2(1): 157.
[3] Lebedev M A, Nicolelis M A. Brain-machine interfaces: Past,
present and future[J]. Trends in Neurosciences, 2006, 29(9): 536-546.
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